氫燃料直噴壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率潛力研究

付 瑞，趙金星，楊淵博

（上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

能源短缺，環(huán)境污染，排放法規(guī)日益嚴(yán)格，這些都給傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。氫能被認(rèn)為是未來(lái)汽車(chē)及人類(lèi)社會(huì)的終極能源，將其用作汽車(chē)燃料可以實(shí)現(xiàn)零碳排放。氫能的應(yīng)用方式主要有燃料電池和氫內(nèi)燃機(jī)兩種。氫燃料電池具有零排放、效率高、運(yùn)行安靜的特點(diǎn)，同時(shí)也存在成本高、催化劑（貴重金屬Pt）易中毒、功率密度低等問(wèn)題。而氫內(nèi)燃機(jī)可以充分利用已有的內(nèi)燃機(jī)工業(yè)基礎(chǔ)，具有成本和技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。和燃料電池相比，氫內(nèi)燃機(jī)的主要問(wèn)題是熱效率偏低，同時(shí)有較高的NO 排放。若能將其熱效率提高到50%以上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較低的NO 排放，氫內(nèi)燃機(jī)就會(huì)有很大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

氫氣淬熄距離短、點(diǎn)火能量小，采用進(jìn)氣道噴射時(shí)容易引發(fā)早燃和回火等問(wèn)題。而缸內(nèi)直噴技術(shù)，可以借助提前進(jìn)入的新鮮空氣冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，從而避免回火和熾熱表面點(diǎn)火現(xiàn)象的出現(xiàn)。氫氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)是汽油的12倍，有助于均勻混合氣的形成。考慮到氫氣的自燃溫度高，采用直噴壓燃的點(diǎn)火方式時(shí)，需要較高的壓縮比，同時(shí)配合進(jìn)氣加熱、增壓等方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)混合氣的穩(wěn)定燃燒。眾多學(xué)者都對(duì)氫氣內(nèi)燃機(jī)的熱效率和燃燒方式展開(kāi)了研究。ROSKILLY等研究了氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的均質(zhì)壓燃（Homogenous Charge Compression Ignition，HCCI），發(fā)現(xiàn)對(duì)于壓縮比為17的氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)，采用進(jìn)氣加熱能夠?qū)崿F(xiàn)氫氣的穩(wěn)定燃燒，但是發(fā)動(dòng)機(jī)綜合效率偏低。SHARMA等基于詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型研究燃空當(dāng)量比、進(jìn)氣溫度、充質(zhì)稀釋對(duì)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響，結(jié)果表明，進(jìn)氣溫度383 K、燃空當(dāng)量比0.2時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)氫氣的均質(zhì)壓燃和低水平的NO 排放。GOMES等將一臺(tái)單缸柴油機(jī)改造成直噴式氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明，改造后的氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高于原機(jī)的熱效率。OBERMAIR等的試驗(yàn)結(jié)果表明，基于直噴技術(shù)，氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以獲得44%的有效熱效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)極低的NO 排放。TANNO等研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)優(yōu)化噴射時(shí)刻和氣門(mén)正時(shí)，實(shí)現(xiàn)分層擴(kuò)散燃燒的氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)45%的熱效率。寶馬研究院詳細(xì)研究了混合氣溫度對(duì)于直噴壓燃式氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，得出缸內(nèi)氣體溫度達(dá)到1100 K時(shí)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定壓燃的結(jié)論，并提出了3種可以實(shí)現(xiàn)該溫度值的途徑。

已有的研究已經(jīng)使直噴壓燃式氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)最大45%的有效熱效率，但是和氫燃料電池相比，還是偏低。因此，本文提出基于詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，建立氫-空氣混合氣的零維燃燒仿真模型。此外，基于一維仿真軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)的一維流動(dòng)和性能仿真模型。通過(guò)零維和一維模型耦合仿真，探究氫燃料直噴壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的最大有效熱效率潛力。

1 氫燃料直噴壓燃仿真模型

混合氣燃燒過(guò)程中，各組分和及其比例不斷發(fā)生變化。增加或減少某些工質(zhì)，可能會(huì)對(duì)燃燒過(guò)程產(chǎn)生較大的影響。燃燒作為發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的核心，決定著仿真模型的計(jì)算精度。因此，本文借助CHEMKIN軟件對(duì)燃燒過(guò)程強(qiáng)大的處理能力，通過(guò)零維和一維的聯(lián)合仿真，考慮流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)和傳熱傳質(zhì)對(duì)燃燒的影響，模擬氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程。

1.1 零維模型

混合氣燃燒時(shí)各基元反應(yīng)之間相互關(guān)聯(lián)，部分自由基的生成與消耗可能會(huì)對(duì)整個(gè)燃燒過(guò)程產(chǎn)生較大的影響。由美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的CHEMKIN軟件，其對(duì)復(fù)雜基元反應(yīng)的強(qiáng)大處理能力，可以用來(lái)解決帶有復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的燃燒問(wèn)題，為解決燃燒過(guò)程中的化學(xué)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題提供了平臺(tái)。CHEMKIN中的多區(qū)模型可以根據(jù)缸內(nèi)溫度或濃度分布情況，將燃燒室劃分成多個(gè)獨(dú)立的計(jì)算區(qū)域，圖1是一種典型的多區(qū)模型劃分方式。

圖1 多區(qū)模型

1.1.1 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型通常是根據(jù)當(dāng)前溫度、壓力、濃度等熱力學(xué)參數(shù)，完成化學(xué)反應(yīng)的速率計(jì)算。對(duì)于一個(gè)存在種可逆反應(yīng)物質(zhì)，并且每種物質(zhì)又包含個(gè)基元反應(yīng)的系統(tǒng)，其化學(xué)反應(yīng)方程式可表示為：

式中：'和分別為化學(xué)反應(yīng)計(jì)量數(shù)；kk為正、逆反應(yīng)速率常數(shù)。其中，物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率可表示為：

式中：A ，B 為反應(yīng)常數(shù)；E為反應(yīng)活化能。上述參數(shù)值均由試驗(yàn)測(cè)量。

1.1.2 有效性驗(yàn)證

氫氣缸內(nèi)燃燒過(guò)程受到燃料化學(xué)反應(yīng)速率的控制，在數(shù)值計(jì)算中詳細(xì)的反應(yīng)機(jī)理能夠?qū)崿F(xiàn)較高的計(jì)算精度，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算成本的增加。為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算成本，需要從詳細(xì)機(jī)理中挑選出一些重要反應(yīng)，組成簡(jiǎn)化機(jī)理。4組常見(jiàn)的氫氣化學(xué)反應(yīng)機(jī)理見(jiàn)表1。Maurya-2017作為詳細(xì)的反應(yīng)機(jī)理，包含著30種反應(yīng)物，270個(gè)反應(yīng)方程式。GRI3.0-1999是NASA于1999年發(fā)布的一組反應(yīng)機(jī)理，廣泛應(yīng)用于各種氫氣燃燒反應(yīng)的計(jì)算。其余兩組都是在詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)上修改得到的。

表1 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理組分?jǐn)?shù)和方程數(shù)

本文借助文獻(xiàn)［13］中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)4組化學(xué)反應(yīng)機(jī)理在進(jìn)氣溫度和混合氣濃度兩個(gè)維度上的精準(zhǔn)度進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

氫燃料直噴壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的著火燃燒過(guò)程對(duì)溫度表現(xiàn)出較強(qiáng)的敏感性。升高進(jìn)氣溫度后，火焰的發(fā)展過(guò)程提前，預(yù)燃期縮短，影響混合氣的燃燒速度和火焰的傳播速度。因此，本文通過(guò)對(duì)比不同進(jìn)氣溫度下的仿真和試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證各反應(yīng)機(jī)理對(duì)燃燒過(guò)程描述的準(zhǔn)確性。由圖2a和b可知，在相同轉(zhuǎn)速（1 500 r/min）和過(guò)量空氣系數(shù)（=4.17）下，進(jìn)氣溫度對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生了較大的影響。在不同進(jìn)氣溫度下，Maurya-2017反應(yīng)機(jī)理都能保持較高的預(yù)測(cè)精度。

混合氣中燃料的濃度決定著各組分的比例，一般在化學(xué)計(jì)量比附近的混合氣燃燒速度最快。為了考察過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)各反應(yīng)機(jī)理計(jì)算結(jié)果的影響，將試驗(yàn)結(jié)果與4組反應(yīng)機(jī)理的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。如圖2 b和c所示，相同轉(zhuǎn)速（1 500 r/min）和進(jìn)氣溫度（=120℃）下，缸內(nèi)壓力峰值隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加而減少。在不同過(guò)量空氣系數(shù)下，Maurya-2017機(jī)理的仿真精度最高，Oconaire-2004次之。

圖2 不同參數(shù)下4種反應(yīng)機(jī)理的缸壓表現(xiàn)

由以上分析可知，不同初始條件下，各反應(yīng)機(jī)理表現(xiàn)不同。Maurya-2017機(jī)理與試驗(yàn)結(jié)果的著火時(shí)刻，峰值缸壓以及缸壓變化趨勢(shì)的吻合度最高，是更理想的反應(yīng)機(jī)理。但其所包含的反應(yīng)方程數(shù)最多，計(jì)算時(shí)間最長(zhǎng)。而Oconaire-2004反應(yīng)機(jī)理，在不同進(jìn)氣溫度和過(guò)量空氣系數(shù)下，都能保證和試驗(yàn)缸壓有著較好的一致性。同時(shí)相對(duì)于Maurya-2017，計(jì)算時(shí)間縮短了60%～75%，選擇使用Oconaire-2004機(jī)理能夠兼顧計(jì)算精度和計(jì)算成本。

1.2 一維模型

上一節(jié)借助文獻(xiàn)［13］中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不同初始條件下各反應(yīng)機(jī)理的計(jì)算精度和計(jì)算成本進(jìn)行了驗(yàn)證，表明Oconaire-2004機(jī)理可以作為零維和一維耦合時(shí)的燃燒模型?？紤]到不同的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并不會(huì)影響燃燒模型的計(jì)算精度，因此，本文基于某款汽油機(jī)，主要參數(shù)見(jiàn)表2，利用GTPower軟件建立氫燃料直噴壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的一維流動(dòng)和性能預(yù)測(cè)模型，如圖3所示，包括進(jìn)排氣管系、氣門(mén)、氣缸、噴油器等組件。鑒于氫氣的可燃范圍廣，可以取消節(jié)氣門(mén)結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變氫氣的噴射量，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)，減小泵氣和節(jié)流損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖3 GT-power模型

為使本文所建立的一維仿真模型具有較高的可靠性，利用各轉(zhuǎn)速下空氣流量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，圖4是仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖?？梢钥闯龈鬓D(zhuǎn)速下，仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)，該模型能夠較為準(zhǔn)確地描述發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程。

圖4 節(jié)氣門(mén)全開(kāi)時(shí)空氣流量對(duì)比

2 耦合模型及優(yōu)化

2.1 耦合模型的建立

使用Fortran編程語(yǔ)言完成GT-power和CHEMKIN之間的數(shù)據(jù)傳遞，用CHEMKIN中的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型替代燃燒方程組，實(shí)現(xiàn)零維和一維的聯(lián)合仿真。燃燒計(jì)算時(shí)的數(shù)據(jù)交換過(guò)程如圖5所示，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉后，GT-power計(jì)算出缸內(nèi)的壓力、溫度、組分等熱力學(xué)參數(shù)，并將這些參數(shù)傳遞給CHEMKIN。然后，CHEMKIN利用這些參數(shù)完成燃燒計(jì)算，并將新的缸壓、溫度和組分等數(shù)據(jù)傳回GT-power。如此循環(huán)往復(fù)，直至燃燒計(jì)算結(jié)束。這樣可以同時(shí)考慮流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)和傳熱傳質(zhì)對(duì)燃燒的影響，提高燃燒過(guò)程的仿真精度。GT-power和CHEMKIN的耦合實(shí)質(zhì)就是將CHEMKIN作為一個(gè)模塊或函數(shù)嵌套到GT-power中去，使GT-power能夠自由地調(diào)用CHEMKIN，完成化學(xué)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算。

圖5 數(shù)據(jù)交換示意圖

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)多參數(shù)優(yōu)化

GT-power中DOE（Design of Experience）優(yōu)化器是基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)、計(jì)算機(jī)建模及優(yōu)化的前沿技術(shù)。通過(guò)評(píng)估不同參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響程度，選出對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響較大的參數(shù)，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各影響參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以壓縮比、空燃比、噴油正時(shí)等為優(yōu)化變量，發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率為目標(biāo)變量，優(yōu)化變量及其范圍見(jiàn)表3。樣本容量設(shè)置為500，采用拉丁超立方采樣法優(yōu)化試驗(yàn)樣本點(diǎn)，使所有試驗(yàn)點(diǎn)均勻地分布在設(shè)計(jì)空間內(nèi)。圖6是各采樣點(diǎn)有效熱效率的計(jì)算結(jié)果，最高熱效率為51.38%。

表3 優(yōu)化變量及其范圍

圖6 有效熱效率優(yōu)化結(jié)果

表4和圖7分別為最優(yōu)效率下的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的溫度和缸壓曲線。該組參數(shù)下發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的熱效率主要是因?yàn)椋海?）在一維模型中取消了節(jié)氣門(mén)結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷由進(jìn)入到氣缸中的氫氣量控制。這樣可以避免節(jié)氣門(mén)處因截面突變而引起的局部流動(dòng)阻力增加的問(wèn)題，減小泵氣和節(jié)流損失。（2）氫氣與汽油等液態(tài)燃料不同，進(jìn)入氣缸后不需要經(jīng)歷蒸發(fā)和霧化，直接與缸內(nèi)工質(zhì)混合，導(dǎo)致缸內(nèi)氣體成分和壓力發(fā)生變化，壓縮過(guò)程消耗更多的壓縮功。而優(yōu)化后的噴油正時(shí)，可以保證較好的混合程度，同時(shí)盡可能地推遲噴油正時(shí)，使壓縮負(fù)功最小化，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)效率。（3）優(yōu)化后的混合氣空燃比為96.48，使氣缸中各區(qū)域內(nèi)的氧氣濃度高而氫氣濃度低，避免了因局部混合氣過(guò)濃而導(dǎo)致的燃燒不完全。同時(shí)，稀混合氣下對(duì)應(yīng)的燃燒溫度較低，減少了高溫工質(zhì)與燃燒室壁面之間的傳熱損失。（4）在零維和一維耦合仿真中假定缸內(nèi)各點(diǎn)狀態(tài)相同，即認(rèn)為氣缸中的工質(zhì)處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)。事實(shí)上，從噴射正時(shí)開(kāi)始到混合氣混合完全是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過(guò)程，而通過(guò)優(yōu)化噴油器參數(shù)和燃燒室形狀，同時(shí)配合較大的噴射壓力可以大大縮短這一過(guò)程所需的時(shí)間，因此，缸內(nèi)工質(zhì)作準(zhǔn)平衡態(tài)處理是合理可行的。

圖7 最優(yōu)效率點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓和溫度曲線

表4 最高熱效率下的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

綜合以上幾點(diǎn)可以看出，對(duì)于氫燃料直噴壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)，采用較高的壓縮比和空燃比，同時(shí)配合優(yōu)化后的噴射參數(shù)和氣門(mén)型線，能夠?qū)崿F(xiàn)50%以上的有效熱效率。

3 結(jié)論

本文提出基于詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，建立氫-空氣混合氣的零維燃燒仿真模型。此外，基于一維仿真軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)的一維流動(dòng)和性能計(jì)算模型。通過(guò)零維和一維模型耦合仿真，探究氫燃料直噴壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的最大有效熱效率潛力。通過(guò)本文的研究可以得到以下結(jié)論。

（1）通過(guò)4組不同燃燒反應(yīng)機(jī)理的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)：Maurya-2017機(jī)理與試驗(yàn)結(jié)果的吻合度最高，同時(shí)計(jì)算成本也最高。而Oconaire-2004機(jī)理能夠兼顧計(jì)算精度和計(jì)算成本。

（2）根據(jù)原機(jī)參數(shù)建立氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的一維仿真模型，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定后的仿真模型具有較高的精確度，可以用來(lái)探究氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率潛力。

（3）通過(guò)對(duì)壓縮比、空燃比、噴射定時(shí)等參數(shù)的優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)氫燃料直噴壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率最大能夠達(dá)到51.38%，表明氫燃料直噴壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率潛力較大，能夠?qū)崿F(xiàn)50%有效熱效率的目標(biāo)。